Produksi Etanol melalui Teknik Monokultur dan Kokultur Khamir Etanologenik Pichia kudriavzevii dengan Saccharomyces cerevisiae
Date
2021Author
Rahmadhani, Nurfadhilla
Astuti, Rika Indri
Meryandini, Anja
Metadata
Show full item recordAbstract
Bioetanol dapat dimanfaatkan pada berbagai bidang diantaranya sebagai bahan bakar alternatif terbarukan. Dalam bidang industri, etanol digunakan pada campuran berbagai produk seperti kosmetik, hairspray, pembersih jendela, dan berbagai macam produk farmasi. Khamir etanologenik merupakan khamir yang berperan penting dalam proses fermentasi etanol. Selama fermentasi berlangsung, khamir akan mengalami cekaman etanol dari produk yang dihasilkan. Oleh karena itu, aplikasi khamir tahan terhadap cekaman etanol diperlukan untuk peningkatan produksi etanol. Aplikasi khamir potensial tahan cekaman etanol digunakan untuk membandingkan perlakuan monokultur (wild type dan mutan) dengan perlakuan kokultur. Penelitian ini bertujuan menguji kemampuan pemanfaatan substrat dan produksi etanol pada isolat wild type dan mutan melalui teknik monokultur dan kokultur dengan S. cerevisiae, serta menganalisis ekspresi gen yang terlibat dalam mekanisme pertahanan terhadap cekaman etanol pada khamir P. kudriavzevii R wild type dan mutan R3.
Uji interaksi isolat dilakukan sebagai tahap awal untuk mengetahui bentuk interaksi antar isolat khamir yang digunakan dalam fermentasi etanol. Uji fermentasi dilakukan menggunakan media OF pada berbagai macam sumber karbon. Uji pemanfaatan substrat gula dilakukan menggunakan dua macam perlakuan yaitu perlakuan monokultur dan kokultur khamir pada media YPD yang terdiri atas 2% glukosa dan 2% xilosa. Pengukuran kadar substrat yang berkurang dilakukan setiap 8 jam menggunakan metode DNS, sedangkan pengukuran konsentrasi etanol dilakukan menggunakan GC setelah fermentasi selama 48 jam. Dilanjutkan dengan uji viabilitas sel khamir terhadap cekaman etanol dan uji qRT-PCR untuk mengetahui tingkat ekspresi gen-gen yang terlibat pada cekaman etanol.
Isolat khamir S. cerevisiae BY4741 menunjukkan tidak berinteraksi secara negatif (antagonis) untuk hidup dalam satu media pertumbuhan dengan kedua isolat khamir P. kudriavzevii. Khamir S. cerevisiae BY4741 dapat menggunakan glukosa dan maltosa, sedangkan P. kudriavzevii dapat menggunakan glukosa, maltosa, dan xilosa sebagai sumber karbon untuk fermentasi etanol. Konsumsi substrat tertinggi ditunjukkan pada perlakuan kokultur khamir S. cerevisiae dengan isolat R wild type rasio inokulum 10:1 yaitu sebesar 28,17 g/L, namun menghasilkan konsentrasi etanol lebih rendah dibandingkan monokultur isolat mutan R3 yaitu 7,03 g/L. Etanol yang dihasilkan oleh isolat mutan R3 yaitu sebesar 10,10 g/L dengan total konsumsi substrat sebesar 23,46 g/L. Konsentrasi etanol tertinggi dihasilkan oleh khamir tahan cekaman etanol mutan R3. Berdasarkan data spot assay, isolat mutan R3 memiliki viabilitas sel yang lebih baik dan menunjukkan adanya peningkatan ekspresi gen PKINO1 dibandingkan isolat R wild type, sehingga isolat khamir mutan R3 dapat beradaptasi dengan kondisi cekaman etanol tinggi. Berdasarkan kondisi fermentasi yang dikaji pada penelitian ini, kokultur P. kudriavzevii (wild type atau mutan) dengan S. cerevisiae memproduksi etanol lebih rendah dibandingkan fermentasi monokultur isolat P. kudriavzevii. Bioethanol is an organic compound that is widely used in various industrial fields, including as a renewable alternative fuel. In the industrial field, ethanol is used in a mixture of various products such as cosmetics, hairspray, window cleaners, and various pharmaceutical products. Ethanologenic yeast plays an important role in the ethanol fermentation process. In this study, we attempted to apply a potential ethanol tolerance yeast by comparing monoculture (wild type and mutant strain) with co-culture method using ethanologenic mutant yeast R3, its corresponding wild type (P. kudriavzevii R WT) and industrial yeast Saccharomyces cerevisiae. In addition, this study provided strategy to tested the ability of substrate utilization and ethanol production by wild type and mutant isolates through monoculture and coculture techniques with S. cerevisiae, and also analyzing the expression of genes involved in defense against ethanol stress in yeast P. kudriavzevii R wild type and mutant R3.
Interaction test was done to confirm the absence of negative interaction between yeast isolates which were used in coculture techniques for ethanol production. The fermentation test was carried out using OF media at various carbon sources. Substrate utilization test was carried out using monoculture and coculture methods on YPD media consisting of 2% glucose and 2% xylose. Reducing sugar content was measured every 8 hours using the DNS method. Ethanol concentration was measured using GC after being fermented for 48 hours. Analysis was then followed with yeast cell viability test against ethanol stress condition and qRT-PCR test to determine the level of expression of genes involved in ethanol stress.
Our study revealed that both P. kudriavzevii isolates and S. cerevisiae has no negative (antagonist) interactions. S. cerevisiae had a good ability to use glucose and maltose, while P. kudriavzevii could use glucose, maltose and xylose as carbon sources for ethanol fermentation. The highest substrate utilization was shown in coculture treatment of S. cerevisiae with R wild type in inoculum ratio of 10:1, which was 28,17 g/L, but produces a lower ethanol concentration than the monoculture of R3 mutant isolate, which was 7,03 g/L. Ethanol production by R3 mutant isolate was 10,10 g/L with a total substrate consumption of 23,46 g/L. The highest ethanol concentration was shown in the R3 mutant ethanol tolerant yeast. These results were supported by spot assay data which showed that mutant R3 isolates had better cell viability and increased PKINO1 gene expression compared to wild-type R isolate so that the R3 mutant yeast isolates could adapt to high ethanol stress conditions. Based on the fermentation conditions used in this study, coculture of P. kudriavzevii (wild type or mutant R3) with S. cerevisiae did not result higher ethanol production than that of monoculture technique.